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摘 要:以室温离子液体1-丙基-3-甲基咪唑碘(PMII)为电解质,采用Au-TiO2作光阳极,成功制备了金敏化的离子液体太阳能电池。通过对氧化还原对种类,氧化还原对比例、金纳米粒子用量等实验条件的优化,达到了7.6%的光电转化效率。
关键词:室温离子液体 太阳能电池 金纳米
中图分类号: TQ02文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 01-105-01
金、银等贵金属纳米粒子因其表面等离子共振特性引起了越来越多研究者的兴趣。其应用相当广泛,包括化学传感、生物传感和表面增强拉曼光谱等。室温离子液体具有常温下不挥发、无毒、无嗅、低凝固点、高电导率、较好的化学稳定性等优点。本文中首次报道使用离子液体1-丙基-3-甲基咪唑碘作电解质的金敏化太阳能电池,并进行了系列优化。取得了较高的光电转化效率。
1实验部分
1.1仪器、试剂和材料
紫外-可见分光光度计(美国安捷伦公司)、CHI660电化学工作站(CHI660c,美国)、LA251-XE光源; HAuCl4、无水乙醇、TiO2、1-丙基-3-甲基咪唑碘(PMII)、I2、KI、K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]、FeCl3、FeCl2;导电玻璃、铂片。
1.2电池的制备
取1 mL PMII,通氮气5 min除去溶解氧气,然后加入氧化还原对,超声混匀。本论文中使用的氧化还原对分别为: 0.0635 g FeCl2和0.0406 g FeCl3、 0.0830 g KI和0.0635 g I2、 0.1840 g K4[Fe(CN)6]和0.0823g K3[Fe(CN)6],优化试验中按比例调整。然后以Au -TiO2 膜为光阳极,Pt片为光阴极组装太阳能电池,有效光照电池面积控制在0.1 cm2, 加入制备好的电解质,封装、测试。
2结果和讨论
2.1氧化还原对的优化
电解质重氧化还原对起着传导电子的重要作用,直接影响到太阳能电池的开路电压和短路电流,实验中首先选用了FeCl3/FeCl2、I2/KI 和 K3[Fe(CN)6] /K4[Fe(CN)6]三种氧化还原对,固定氧化还原对中氧化态和还原态的物质的量比均为1:2,采用相同的Au-TiO2 阳极制备电池。这三种太阳能电池上测得的开路电压分别为:187 mV、254 mV、163 mV,短路电流密度分别为:9.1A、24.7A、4.3A。从开路电压和短路电流值都可以看出最优的氧化还原对为I2/ KI。
2.2氧化还原对比例的优化
选出最优的氧化还原对后,接着在使用相同Au-TiO2膜,改变氧化还原对中KI和I2的比例,选择了从1:1到1:9等不同配比,制作离子液体太阳能电池。图1、图2分别为电池开路电压和短路电流随KI和I2的比例变化图,从中可以看出KI和I2比例为5:1时电池开路电压和短路电流最大。经过氧化还原对比例的优化电池的开路电压和短路电流均有了很大提高。5:1是KI和I2的最优比例。
2.3金纳米用量的优化
金敏化太阳能电池主要靠金纳米等离子共振作用下对可见光的响应来实现光电转化。金纳米的用量也是影响电池效率的关键因素,为了选取最佳的金纳米用量,实验中制备了含金纳米量不同的Au-TiO2膜,使用优化过的电解质和电解质配比。使用相同的TiO2膜,紫外可见光谱中金纳米的等离子共振吸收峰在540 nm附近,使用金纳米粒子膜在540 nm的吸光度值做参考,对Au-TiO2金进行定量,选择最佳的金纳米粒子用量。如图3和图4所示,随着金纳米等离子共振峰值的变化,电池的开路电压和短路电流都有较大的变化,吸光度达到0.08左右时,电池的性能最好。最大开路电压达到406 mV ,短路电流为47.5A。
2.4金敏华粒子液体太阳能电池的光电转化效率
经过优化,电池性能得到很大提高。如图5所示,在大约550 nm处达到了最大的入射光电转换效率(IPCE)7.6%,比现在孔洞传输材料电池的IPCE大1000倍。光电转化效率与金纳米粒子在TiO2膜上的紫外可见吸收光谱也能够很好的吻合。
图5 电池IPCE与紫外可见光谱比较图
参考文献:
[1]C. P. Collier, R. J. Saykally, J. J. Shiang et al, Science 1997, 277, 1978.
[2]C. B. Murry, C. R. Kagan, M. G. Bawendi, Science 1995, 270, 1335.
[3]R. Jin, Y. C. Cao, C. A. Mirkin, et al, Science 2001, 294, 1901.
[4]M. C. Daniel and D. Astruc, Chem. Rev. 2004, 104, 293.
[5]C.J.Gannon, C. R. Patra, R. Bhattacharya et al, J.Nanobiotechnol.2008, 6:2.
[6]T. Sakano, Y. Tanaka, R. Nishimura et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 2008, 41, 235304.
关键词:室温离子液体 太阳能电池 金纳米
中图分类号: TQ02文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 01-105-01
金、银等贵金属纳米粒子因其表面等离子共振特性引起了越来越多研究者的兴趣。其应用相当广泛,包括化学传感、生物传感和表面增强拉曼光谱等。室温离子液体具有常温下不挥发、无毒、无嗅、低凝固点、高电导率、较好的化学稳定性等优点。本文中首次报道使用离子液体1-丙基-3-甲基咪唑碘作电解质的金敏化太阳能电池,并进行了系列优化。取得了较高的光电转化效率。
1实验部分
1.1仪器、试剂和材料
紫外-可见分光光度计(美国安捷伦公司)、CHI660电化学工作站(CHI660c,美国)、LA251-XE光源; HAuCl4、无水乙醇、TiO2、1-丙基-3-甲基咪唑碘(PMII)、I2、KI、K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]、FeCl3、FeCl2;导电玻璃、铂片。
1.2电池的制备
取1 mL PMII,通氮气5 min除去溶解氧气,然后加入氧化还原对,超声混匀。本论文中使用的氧化还原对分别为: 0.0635 g FeCl2和0.0406 g FeCl3、 0.0830 g KI和0.0635 g I2、 0.1840 g K4[Fe(CN)6]和0.0823g K3[Fe(CN)6],优化试验中按比例调整。然后以Au -TiO2 膜为光阳极,Pt片为光阴极组装太阳能电池,有效光照电池面积控制在0.1 cm2, 加入制备好的电解质,封装、测试。
2结果和讨论
2.1氧化还原对的优化
电解质重氧化还原对起着传导电子的重要作用,直接影响到太阳能电池的开路电压和短路电流,实验中首先选用了FeCl3/FeCl2、I2/KI 和 K3[Fe(CN)6] /K4[Fe(CN)6]三种氧化还原对,固定氧化还原对中氧化态和还原态的物质的量比均为1:2,采用相同的Au-TiO2 阳极制备电池。这三种太阳能电池上测得的开路电压分别为:187 mV、254 mV、163 mV,短路电流密度分别为:9.1A、24.7A、4.3A。从开路电压和短路电流值都可以看出最优的氧化还原对为I2/ KI。
2.2氧化还原对比例的优化
选出最优的氧化还原对后,接着在使用相同Au-TiO2膜,改变氧化还原对中KI和I2的比例,选择了从1:1到1:9等不同配比,制作离子液体太阳能电池。图1、图2分别为电池开路电压和短路电流随KI和I2的比例变化图,从中可以看出KI和I2比例为5:1时电池开路电压和短路电流最大。经过氧化还原对比例的优化电池的开路电压和短路电流均有了很大提高。5:1是KI和I2的最优比例。
2.3金纳米用量的优化
金敏化太阳能电池主要靠金纳米等离子共振作用下对可见光的响应来实现光电转化。金纳米的用量也是影响电池效率的关键因素,为了选取最佳的金纳米用量,实验中制备了含金纳米量不同的Au-TiO2膜,使用优化过的电解质和电解质配比。使用相同的TiO2膜,紫外可见光谱中金纳米的等离子共振吸收峰在540 nm附近,使用金纳米粒子膜在540 nm的吸光度值做参考,对Au-TiO2金进行定量,选择最佳的金纳米粒子用量。如图3和图4所示,随着金纳米等离子共振峰值的变化,电池的开路电压和短路电流都有较大的变化,吸光度达到0.08左右时,电池的性能最好。最大开路电压达到406 mV ,短路电流为47.5A。
2.4金敏华粒子液体太阳能电池的光电转化效率
经过优化,电池性能得到很大提高。如图5所示,在大约550 nm处达到了最大的入射光电转换效率(IPCE)7.6%,比现在孔洞传输材料电池的IPCE大1000倍。光电转化效率与金纳米粒子在TiO2膜上的紫外可见吸收光谱也能够很好的吻合。
图5 电池IPCE与紫外可见光谱比较图
参考文献:
[1]C. P. Collier, R. J. Saykally, J. J. Shiang et al, Science 1997, 277, 1978.
[2]C. B. Murry, C. R. Kagan, M. G. Bawendi, Science 1995, 270, 1335.
[3]R. Jin, Y. C. Cao, C. A. Mirkin, et al, Science 2001, 294, 1901.
[4]M. C. Daniel and D. Astruc, Chem. Rev. 2004, 104, 293.
[5]C.J.Gannon, C. R. Patra, R. Bhattacharya et al, J.Nanobiotechnol.2008, 6:2.
[6]T. Sakano, Y. Tanaka, R. Nishimura et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 2008, 41, 235304.